GAMMA  10における揺動抑制実験とThomson散乱計測の進展

1.  はじめに  2.  GAMMA  10における揺動抑制実験  3.  Thomson散乱計測システムの進展

筑波大学プラズマ研究センター　吉川正志

平成２５年度筑波大学プラズマ研究センター・シンポジューム  2013.8.29-­‐30  つくばサイエンスインフォメーションセンタ－大会議室

1.　はじめに •  磁場閉じ込め装置に普遍的に重要なHモード・内部輸送障壁（ITB）などの閉

じ込め改善の鍵の一つである「プラズマ中に生成される電位・電場によるプ

ラズマ輸送改善」に重点を置き研究を進めている。  

•  電子サイクロトロン加熱（ECH）による軸方向閉じ込め電位生成時にドリフト

型揺動が抑制されていることがわかっている。この抑制に関して詳細に調

べ、電位・電場による揺動の抑制機構について調べることを目的としている。  

•  金中性粒子ビームプローブ（ＧＮＢＰ）を使用した電位の２点同時計測による

電位、電場計測と電位・密度揺動におけるドリフト型揺動の抑制と揺動に起

因した径方向粒子束の解析結果。  

•  エンドプレート電位の揺動計測と合わせてコアプラズマからエンド部にわた

る揺動の相関について調べた。  

•  Thomson散乱計測システムによる電子温度、密度計測と散乱信号倍増の

ためのマルチパス・システムについて報告する。

2.  GAMMA  10における揺動抑制実験

1.  GAMMA  10  2.  揺動抑制実験  3.  エンドプレート電位との相関

2-1. Experimental apparatus GAMMA 10 tandem mirror

ne  ~  2  x  1012  cm-­‐3  

Te  ~  80  eV  Ti  ~  5  keV

Thomson

GNBP End  plate

Gold  neutral  beam  probe  (GNBP)

•  空間２点の電位・電場、電位揺動、密度揺動を同時計測する。

Current and novel slits

ee nnII // Δ≅Δ

φ≅ΔE

Beam: Au neutral Energy: 11.783 keV Beam radius: 0.5 cm Beam current: 2 µA

Slit distance and width are 37 mm and 0.7 mm.

End plate system

#5#4#3#2

#1

1.111 MΩ

GAMMA 10エンド部の電位を計測できる。

2-2. Fluctuation measurement experiments

Diamagnetism and line density

Two point potential measurements

0

1

2

3

4

5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

50 100 150 200

Line density

DiamagnetismLine

den

sity

[ x

1017

m-2

]

Diam

agnetism [ x 10

-4 Wb ]

Time [ ms ]

B-ECHP-ECH

0

100

200

300

400

500

50 100 150 200

R ~ 1 cmR ~ 2 cm

Pote

ntia

l [ V

/cm

]

Time [ ms ]

Potential and radial electric field profiles

Radial potential profile by GNBP Radial electric filed profile

0

100

200

300

400

500

0 2 4 6 8 10 12 14

w/o ECHwith ECH

Pote

ntia

l [ V

]

Radius [ cm ]

(a)

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 2 4 6 8 10 12 14

w/o ECHwith ECH

Elec

tric

File

d [ V

/cm

]

Radius [ cm ]

(b)

２点同時計測によるECH印加と印加無の径方向電位・電場の計測結果を示す。ECH印加によりプラズマ中心部で電位が上昇し、電場も負から正へと変化する。

2-3. Potential and electric field fluctuation radial profile

Radial potential fluctuation Radial electric field fluctuation

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 2 4 6 8 10 12 14

w/o ECHwith ECH

Pote

ntia

l Flu

ctua

tion

Leve

l [ R

el. u

nits

]

Radius [ cm ]

電位の２点同時計測による電位揺動・電場揺動の径方向分布測定結果を示す。 10 kHz、モード数2の反磁性ドリフト型の電位揺動強度は、ECH印加によって大きく抑制される。電場揺動は、コヒーレントな揺動は見られないがECH印加によって抑制されている。 �

2-4. Radial particle flux related value Radial particle flux

•  ２点同時計測による径方向粒子束計算結果を示す。

•  ECH印加時は、径方向粒子束は減少している。

•  ISPとELIAによる結果からも径方向、軸方向閉じ込めが改善されていることが示唆される。

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

50 100 150 200

R ~ 6 cmR ~ 7 cm

Rad

ial p

artic

le fl

ux [

Arb

. uni

ts ]

Time [ ms ]

φφ αφγ nnr II sin~)/~(≈ΓDifferencePhase

LevelnFLuctuatioPotential

LevelnFluctuatioDensityI

Coherence

n

n

_:sin__:~

__:~:

φ

φ

α

φ

γ

0

0.5

1

1.5

2

50 100 150 200

End

loss

ion

curr

ent [

Rel

. uni

ts ]

Time [ ms ]

0

1

2

3

4

5

50 100 150 200Ion

sens

itive

pro

be (I

SP) [

Arb

. uni

ts ]

Time [ ms ]

2-5. End plate fluctuation measurements

Coherence between central and end potentials

Radial profile of the coherences

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 12 14

Radius [ cm ]

End Plate #1 #2 #3 #4セントラル部電位とエンド部電位の揺動の相関を取ったところ、10 kHz近傍の強い相間が観測された。

ECH印加前のセントラル部電位とエンド部電位の揺動の相関の径方向分布をとったところ、どの位置でも非常に強い相間が見られた。

ECH印加前のエンド部の電位揺動を調べることでコア部プラズマの電位揺動を調べることができる。

2-­‐5.まとめ

•  ECH印加による閉じ込め電位形成時のドリフト型揺動の抑制や、ドリフト型揺動による径方向粒子輸送について、空間２点同時計測可能な新GNBPと高速エンドプレート電位計測を用いてコアプラズマからエンド部の揺動について調べた。

•  新GNBPによって１ショットで電場、電場揺動を調べることが可能となった。

•  コアプラズマとエンド部で観測されたドリフト型揺動には強い相関があり、ECH印加によって電位揺動が抑制されており、軸方向と径方向の粒子閉じ込めも改善されていることが分かった。

•  コアからエンド部にわたる電位揺動と電場の関係についてより詳しく調べることが可能となった。

•  今後、電位・電場、揺動についてそれぞれの相関を調べ、ドリフト型揺度についてより詳しく調べていく。

3.  ＧＡＭＭＡ１０におけるThomson散乱計測の進展

1.  空間3点同時計測  2.  QDCを用いた信号計測  3.  マルチパスThomson散乱計測シス

テム

3-1.同時3点計測  

これまで空間１点の電子温度、密度計測が可能であったが、新しくポリクロメーターを2台導入し、プラズマ1ショットで空間3点同時計測を可能とした。

3-2. 高速QDCを用いた測定

#225270 t=110ms 計測位置X=-5cm

Te  =  62  eV

高速QDC(CAEN  V792)を用いて、トムソン散乱の5チャンネルの信号を測定した。その結果、Te  =  62eVを得た。しかし、バックグラウンドのノイズが大きいため、より調整が必要である。

3-­‐3.  MulQ-­‐pass  Thomson  scaRering  system

Lens MirrorLens

f = 2000f = 2000

IrisCollection optics

To polychromator

YAG laser

Mirror

2 Pass 1 Pass

Iris

He-Ne laser

Short pass mirrorFaraday rotator

Beamdump

Pockels cell

λ/2 plate

IrisMirror

Mirror

Mirror

Mirror

3 pass

PolarizerPolarizer

IrisLensf = 750

Lensf = 750

Cavity

偏光制御と像転送を用いた新型マルチパス・システムを構築した。  本年度新たにCavityを導入し、ビームの調整を行った結果、パス数の増加が確認できた。 射出ポート

レンズ

アイリス

ミラー

MulQ-­‐pass  scaRering

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

5200 5250 5300 5350 5400 5450 5500

Raman scattering Multi-pass full power

Ch2 V

Ch.

2 o

utpu

t [ V

]

Time [ ns ]これまで、MulQ-­‐passでは、Rayleigh散乱のYAGレーザー入射パワーを通常の1/1000で入射しての測定までであったが、フルパワーの16.44  Wで入射してRaman散乱信号を得た。（175  Torr)それぞれのパスに対応する信号が測定されていることがわかる。また、8パス以上も観測された。

黄色ラインはRayleigh散乱信号を示し、8パスまでが確認された。しかし、信号強度及び迷光の除去のための調整が必要である。

7

2 3 4

5 6

1

8 9 10

Rayleigh scattering signal

MulQ-­‐pass  scaReringのパス数による出力変化

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

5200 5250 5300 5350 5400 5450

Multi-pass Raman scattering signals

Ch. 2Ch. 3

Out

put [

V ]

Time [ ns ]

Raman散乱出力のピーク値

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

2 4 6 8 10In

tegr

ated

inte

nsity

[ A

rb. u

nits

]

Pass number [ # ]

積分値出力のパス数による変化

マルチパス・システムにより、1パスの場合の信号積分値の約3.5倍の信号強度が8パスで得られた。

3-­‐4.  まとめ •  電子温度、電子密度の空間3点同時計測が可能となった。  •  多点、多時刻同時計測のための新しいQDCの構築を行った。  •  昨年度まで6パスまでのマルチパス・システムであったが、8パ

ス以上の確認ができた。  

•  現在、5台のポリクロメータがあるので空間5点同時計測を可能としていく。  

•  マルチパス・システムをプラズマに適用して、散乱信号を測定する。  

•  揺動抑制実験においては、電子温度、密度分布の変化と揺動強度分布との比較を進めて、分布の変化と揺動の分布との相関、電位分布の変化について調べていく。